物理定律预言宇宙最终会停止运转与变化,这样的命运能被推迟吗?在今年夏天某个酷热的上午,当我正在游泳时,我的思绪突然飘到了另一个关于“气候变化”的问题上:宇宙的“热死亡”,也就是我们常说的“热寂”。这很可能是宇宙的终极命运。讽刺的是,比起我们这个越来越热的星球,宇宙死亡的话题反而没有那么令人焦虑。
在19世纪,随着科学家对“热”的科学理解逐渐加深,产生了“宇宙热寂”的假说。
它的核心思想很简单:物理系统总是会趋于平衡。比如,热量总是从较热的物体自发流入较冷的相邻物体;随着热量的交换,前者被冷却,后者被加热,当二者达到相同的温度后,热量交换就会终止。我们可以通过给对应的系统注入能量,从而延迟到达最终的平衡与静止的时间,但这也只是暂时的。比如,我们可以给发动机加油,给动物喂食,给电池充电。但是发动机会磨损,动物会死亡,电池也会老化而无法充电。
这些日常现象可以在热力学中被进一步概括和强化。在热力学中,所谓的拱顶石就是热力学第二定律。1865年,鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)首次给出了热力学第二定律的数学表达式。它指出:系统的无序性由熵来度量,随着时间的流逝,熵会不断增加,这也意味着系统的有序结构在逐渐消失。最终,系统会演化到一个完全无序且毫无特征的平衡态——熵最大的状态。
根据热力学第二定律的无情逻辑,宇宙最终将演化到一个毫无变化与生机的死寂状态,即“宇宙热寂”。现代宇宙学进一步充实了这一说法。
引力作用导致物质倾向于聚集。但在早期宇宙中,物质分布极为均匀,所以引力处于远离平衡的状态。随着时间的推移,引力试图达到平衡,将稀薄的星云凝聚成恒星。恒星内部的高密度和高压会点燃核反应。核燃烧释放的热将为宇宙的运动提供能量,但这只是缓刑。几百亿年后,所有的恒星的燃料都将燃烧殆尽。
要想对抗宇宙热寂,我们的子孙后辈或者宇宙中的其他智慧生命,或许可以采用以下的一些方法。
下面这些方法是我在游泳的时候逐步构想出来的:第一,在恒星耗尽燃料之后,或许可以进一步燃烧物质。因为恒星发生核聚变时,质子和中子被重新组合,但总数保持不变。继续燃烧这些粒子可以获得数百倍的能量。还有一种无可名状的燃料是“暗物质”。目前还没有人知道它是什么,但宇宙中有很多这样的暗燃料。它们或许可以给我们的后辈或者其他智慧生命留下一线希望。
第二,在未来,工程师或许可以操控行星或者死亡星球的碰撞,这种碰撞很有可能进一步释放出大量能量。而在未来的宇宙中,应该有很多这样的材料可以使用。第三,未来的文明或许只需要很有限的能量就可以维持运转。最近关于可逆计算机与量子计算机、以及时间晶体的理论研究表明,进一步发展——至少是维持运动——所需要的能量是没有下限的。
第四,由于我们并不真正地了解到底是什么机制触发了宇宙大爆炸,可以想象,或许有那么一天,我们能够设计出类似的机制,未来也将有机会重新引爆宇宙。
这次游泳很尽兴。我脑洞大开,想象着那些可以拯救宇宙的技术手段,备感愉悦。宇宙的终极命运固然让人绝望,但或许不那么严重。从湖里出来的时候,我似乎比之前更热了,这让我颇为郁闷。而在眼下,地球上的气候问题确实已经变得非常糟糕了,尽管可能还没有发展到无可救药的地步。